共模扼流圈技術應用說明
2022.12.20
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1. 共模電感簡介
共模扼流圈（Common Mode Choke），也稱共模電感、共模濾波器，是在一個閉合磁環上對稱繞制方向相反、匝數相同的線圈。常用於過濾共模的電磁干擾，抑制高速信號線產生的電磁波向外輻射發射，提高系統的EMC (=EMI+EMS)，在實際應用中一般是在差分的信號線上加共模電感。
2. 共模&差模干擾
想要了解【共模電感】的應用，需要先了解什麼是共模干擾、差模干擾。共模和差模都是一個相對量，共模是指兩個信號A、B相對於參考點（GND）的電勢 ; 差模是指A、B之間的相對值。
共模干擾是指兩個信號線對地的干擾，如果環境對兩個信號線對地之間產生對地的同向等幅的干擾（疊加相同的電壓），那麼就叫共模干擾，之所以說差分信號有很好的共模抑制，是因為差分放大器只對兩個信號的差值放大，如果是大小相等的共模干擾完全可以消除掉，（Udiff=Ua-Ub）差模干擾又指串模，是指兩個信號線之間的差值，差模干擾相當於兩個信號間加上了一個干擾電壓，Unoise=Ua-Ub。如下圖所示：
等幅相位相反的兩個信號，以一個共模電壓為基準做擺動，稱為差分信號。如果一端接地的話就變成單端信號了。如果A，B兩個信號的共模電壓是1.2V的話（LVDS），那麼A，B是在1.2V上做350mV的差模，高低電平是由他們的差值決定的，所以能很好的抑制共模干擾，只要控制兩個信號的零點就可以控制信號的邏輯狀態了，相比單端的相對於地的閥值電平，具有抗共模干擾能力強，適合電壓傳輸，EMI少的優點。
對於差分信號為什麼需要共模扼流圈，是因為差分放大器都有一個共模抑制比，超過這個CMRR，就會失真。
下圖是【差分的具體實現圖】（LVDS）：
對於差分信號為什麼需要共模扼流圈，是因為差分放大器都有一個共模抑制比，超過這個CMRR，就會失真。
下圖是【差分的具體實現圖】（LVDS）：
從上圖中可以看到，由於差分信號相互之間的耦合左右，所以對外的EMI也比較小。
• 共模電感抑制共模干擾 ：
根據右手螺旋定律，在同一磁環繞上方向相反的兩個線圈通過極性相同，幅值相等的兩個電壓時，產生的磁通相互疊加，感抗為：Xl=wL，感抗很大。差分信號產生的磁通就相互抵消。
• 差分信號的回路 :
當地參考面不連續的時候，兩根信號能提供回路，但是還是和地的耦合強度大，一般是以地為回路。
3、差模雜訊和共模雜訊主要來源
對於開關電源而言，如果整流橋後的儲能濾波大電容為理想電容，即等效串聯電阻為零（忽略所有電容寄生參數），則輸入到電源所有可能的差模噪音源都會被該電容完全旁路或解耦，可是大容量電容的等效串聯電阻並非為零。因此，輸入電容的等效串聯電阻是從差模雜訊發生器看進去的阻抗Zdm的主要部分。輸入電容除了承受從電源線流入的工作電流外，還要提供開關管所需的高頻脈衝電流，但無論如何，電流流經電阻必然產生壓降，如電容的等效串聯電阻，所以輸入濾波電容兩端會出現高頻電壓紋波，高頻高壓紋波就是來自於差模電流。它基本上是一個電壓源（由等效串聯電阻導致的）。理論上，整流橋導通時，該高頻紋波雜訊應該僅出現在整流橋輸入側，事實上，整流橋關斷時，雜訊會通過整流橋二極體的寄生電容洩露。
高頻電流流入機殼有許多偶然的路徑。當開關電源中的主開關管的漏極高低跳變時，電流流經開關管與散熱器之間的寄生電容（散熱器連接至外殼或者散熱器就是外殼）。在交流電網電流保持整流橋導通時，注入機殼的雜訊遭遇幾乎相等的阻抗，因此等量流入零線和火線。因此，這是純共模雜訊。
4、共模電感如何抑制共模信號
目前已經知道共模信號是兩個幅度相等、相位相同的信號，共模信號一般來自電網，共模信號會影響電路板的正常工作，也會以電磁波的形式干擾周圍環境。 既然是用電感來抑制共模信號，那麼這肯定和磁場相關。• 先來介紹通電螺線感，產生的磁場方向（對於專案應用而言，例如抑制共模信號而言，不太需要定量的計算，電感產生的磁場以及磁通量的大小。）對於通電螺線管的磁場方向判斷方法為，右手握住螺管，四指指向電流方向，則拇指指向就是磁場方向。
接下來介紹一個重要的名詞，即磁通。
• 垂直通過一個截面的磁力線總量稱為該截面的磁通量，簡稱磁通。磁力線是通電螺線管產生的，是實際存在的，只是看不見也摸不著，磁力線是一個閉和的回路，對於通電螺線管，磁力線都要經過螺線管內部，磁力線是與磁感應強度B成正比的。
磁通量用F表示，是一個標量，單位為韋伯，代號Wb。
▶ 磁通量和磁感應強度B以及截面積A的關係為：
F = B A
從關係式可以看出，穿過橫截面的磁力線越多，磁通量就越大。對於繞在磁芯上的線圈，在其上通電流i，則線圈的電感L可以表示為：
L = NF / i
N為線圈匝數。
通過上述的簡要概述，可以了解繞在磁芯上的線圈在匝數和電流不變時，磁芯中穿過的磁力線越多，那麼磁通量就越大，則相對應的電感量也越大。電感的作用就是阻止流過其上電流的變化，其實質是阻止其磁通量的變化。這就是利用共模電感來抑制共模電流的基本原理。
對於共模電感如何抑制共模電流可以用一句話解釋，即共模電感上流過共模電流時，磁環中的磁通相互疊加，從而具有相當大的電感量，對共模電流起到抑制作用。
當兩個線圈流過差模電流時，鐵氧體磁環中的磁力線相反，導致磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模信號可以基本無衰減的通過（考慮到電感本身具有一定的電阻）。
不僅對於開關電源的輸入濾波器加共模電感，在走差分信號線時也可以加上共模電感來抑制共模電流，以防止電路誤觸發等現象。
5、共模電感選取
根據共模電感的額定電流、直流電阻以及額定頻率下阻抗值要求，可以按步驟進行設計：(1) 根據阻抗值計算最小電感值
(2) 選擇共模電感磁芯材料以及磁芯尺寸
(3) 確定線圈匝數
(4) 選擇導線
▶ 共模電感最小電感值計算公式：
L = X1 / 2
Xl為頻率為f時的阻抗值。扼流圈電感值是用負載（單位： Ohms）除以信號開始衰減時的角頻率或以上頻率。
例如，在50Ω的負載中，當頻率達到 4000 Hz 或以上時信號開始衰減，則需要使用 1.99 mH（50/2π X 4000）的電感。
其相應的共模濾波器構造，如下圖所示：
選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此在選擇共模電感時需要看器件資料，主要根據阻抗頻率曲線選擇。
電感量計算出來後和普通設計電感一樣，在這裡就不詳細說明。
• 繞製電感時要注意些事項 :
(1) 繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在暫態過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。
(2) 當線圈流過暫態大電流時，磁芯不要出現飽和。
(3) 線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在暫態過電壓作用下兩者之間發生擊穿。
(4) 線圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對暫態過電壓的而授能力，共模電感磁芯的選取磁芯時，形狀尺寸、適用頻段、溫升以及價格都要考慮，常用的磁芯為U型、E型和環形。
6.總結
相對而言，環形磁芯比較便宜，因為環形只需要一個就可製作。
其他形狀的磁芯必須有一對才能為共模電感所用，而且在成型時，考慮兩磁芯的配對問題，還須增加研磨工序才能得到較高的磁導率，對於環形磁芯卻不需要如此；與其它形狀磁芯相比環形磁芯有較高的有效磁導率，因為兩配對磁芯在裝配時，無論怎樣作業都不可消除氣隙的現象，故有效磁導率比單一封閉形磁芯要低。
▶ 環形磁芯繞線成本較高，因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線可以機器作業，而環形磁芯只可以手工作業或機器（速度較低）作業；且磁環孔徑小，機器難以穿線，需要人工去繞，費時費力，加工成本高，效率低；安裝不便，若是加底座，則成本會上升。
綜合性能比起來，磁環性能較好，價格也比較高。
▶ 因為成本的因素，磁環大多用在大功率的電源上。當然因為體積小，對體積有要求的小功率電源，可以採用磁環磁芯。對於主要作用是濾除低頻雜訊的共模電感，應選用高磁導率的錳鋅鐵氧體磁芯；相反，應該選用適用於高頻的鎳鋅鐵氧體磁芯或磁粉芯磁芯。
通常適用於高頻的磁芯，因其具有分散式氣隙，故磁導率相對較低，二者不可兼得。
▶ 不過，與普通電感器不同的是，共模電感的作用是對雜訊信號形成較大的插入損耗，以減小雜訊干擾。錳鋅鐵氧體在高頻時，雖然其有效磁導率很小，但磁芯損耗隨頻率增加而增大，對高頻雜訊有較大的阻礙作用，所以也能減弱高頻干擾，只是效果相對較差。
然而，較大的磁芯損耗會導致磁芯發熱，而損耗較小的磁芯價格也較高。
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▶ 環形磁芯繞線成本較高，因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線可以機器作業，而環形磁芯只可以手工作業或機器（速度較低）作業；且磁環孔徑小，機器難以穿線，需要人工去繞，費時費力，加工成本高，效率低；安裝不便，若是加底座，則成本會上升。
綜合性能比起來，磁環性能較好，價格也比較高。
▶ 因為成本的因素，磁環大多用在大功率的電源上。當然因為體積小，對體積有要求的小功率電源，可以採用磁環磁芯。對於主要作用是濾除低頻雜訊的共模電感，應選用高磁導率的錳鋅鐵氧體磁芯；相反，應該選用適用於高頻的鎳鋅鐵氧體磁芯或磁粉芯磁芯。
通常適用於高頻的磁芯，因其具有分散式氣隙，故磁導率相對較低，二者不可兼得。
▶ 不過，與普通電感器不同的是，共模電感的作用是對雜訊信號形成較大的插入損耗，以減小雜訊干擾。錳鋅鐵氧體在高頻時，雖然其有效磁導率很小，但磁芯損耗隨頻率增加而增大，對高頻雜訊有較大的阻礙作用，所以也能減弱高頻干擾，只是效果相對較差。
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